沈華, 張梓振， 段君義

(1. 云南公路建設監(jiān)理有限公司， 昆明 650041； 2. 中南大學土木工程學院， 長沙 410075； 3． 南昌大學工程建設學院， 南昌 330031)

煤矸石是指在煤礦從開采到加工成煤等一系列的工業(yè)過程中產(chǎn)生的煤炭礦渣。煤矸石的工業(yè)價值很低，這導致煤矸石被作為廢棄物[1-2]。煤炭是中國能源的主要來源途徑之一。歷經(jīng)幾十年的煤炭開采，煤矸石已經(jīng)成為了中國最大的工業(yè)廢棄物[3-4]，且仍以1.5億t/年的速率持續(xù)增長，嚴重污染環(huán)境[5]。許多經(jīng)過煤礦區(qū)的公路能夠帶動當?shù)孛旱V區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，然而，煤礦區(qū)的優(yōu)質(zhì)填料卻十分匱乏?？紤]到環(huán)境保護和雙碳目標的要求，將煤矸石廢棄物作為公路路基的潛在填料成為路基工程應用的新途徑[6]。

煤矸石是一種特殊的填料，具有區(qū)別于其他土質(zhì)填料不同的工程性質(zhì)[7]。如煤矸石較軟，在碾壓夯實等外荷載作用下，煤矸石容易被碾碎，存在級配不良的特點，煤矸石自身粘聚力較低，顆粒表現(xiàn)出散體結(jié)構(gòu)特征[8-9]。因此，實際工程中，往往需要往煤矸石中摻入一定比例的黏土，以使得煤矸石混合土的工程性質(zhì)滿足填筑要求[10]，同時采用加筋土結(jié)構(gòu)進一步增強煤矸石路基的整體性。

加筋土結(jié)構(gòu)具有占地面積小、地基適應性好、環(huán)保美觀及工程造價低等優(yōu)點。得益于各類加筋材料的發(fā)展[11]，如今各種各樣的加筋土結(jié)構(gòu)已被廣泛應用于實際加筋路基工程。為進一步研究加筋土結(jié)構(gòu)的工作性能，研究人員開展了大量研究。崔春義等[12]基于“四因素，三水平”正交試驗開展了土工格柵加筋路堤穩(wěn)定性的參數(shù)敏感性分析。耿大新等[13]采用分離式分析法研究了多層土工格室筋材的拉應力性狀，并提出了改進鋪設方法。尹平保等[14]通過現(xiàn)場試驗研究了土工格柵加筋鎳鐵渣加筋路堤在施工期及工后的變形發(fā)展規(guī)律。Yang等[15]基于極限平衡法推導了圓弧滑裂面情況下加筋路堤的穩(wěn)定性計算方法，指出較緩的路堤坡度對加筋路堤穩(wěn)定性影響較小。劉蓓蓓等[16]通過數(shù)值模擬分析土工格室材料參數(shù)及其鋪設情況對土工格室加筋路堤穩(wěn)定性的影響，并指出多層加筋路堤的破壞形式為多弧段的破裂面。楊果林等[17]研究了煤矸石彈性模量、格賓網(wǎng)鋪設情況對加筋煤矸石路堤穩(wěn)定性的影響，并給出了相應的加筋方案建議。以上研究成果加深了對加筋土結(jié)構(gòu)力學與變形特性的認識，但有關(guān)加筋煤矸石路堤的力學與變形特性及其路堤穩(wěn)定性的研究十分有限[8,18]。

格賓網(wǎng)是一種新型土工材料，可與土體形成良好的嵌固咬合作用。某高速公路路基工程中采用了格賓網(wǎng)筋材加筋煤矸石路堤形式。為此，以該路基工程為依托，通過現(xiàn)場試驗研究開展格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤力學與變形特性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模型進一步分析格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤穩(wěn)定性情況，并提出相應的路堤強化措施，研究成果可為煤礦區(qū)高速公路路基的修建及其煤矸石的工程應用提供指導意義。

1 現(xiàn)場試驗及其結(jié)果分析

1.1 煤矸石填料和格賓網(wǎng)

試驗段位于某高速高速公路。根據(jù)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當?shù)卮嬖诖罅康拿喉肥逊e山，如圖1所示。在雨水的沖刷作用下，煤矸石淋溶物順著地表徑流流入附近的湄江河，引起污染[19]。同時，修建的公路路基為填方路堤工程，需要大量的填料。在對煤矸石的填料適用性進行分析的基礎(chǔ)上，擬把煤矸石作為路基潛在性填料。這樣既可以解決煤矸石污染問題，又可以解決當?shù)貎?yōu)質(zhì)填料缺乏問題。煤矸石具有與其他填土材料不同的工程性質(zhì)，如煤矸石巖性較軟，在碾壓夯實作用下其粗顆粒容易被碾碎；顆粒粒徑分布范圍較廣，級配不良。為了改善煤矸石級配和便于壓實，通過在煤矸石內(nèi)摻入一定比例的黏土，以形成煤矸石與黏土的混合土，用于路基填筑[10]。煤矸石混合土的級配情況如圖2所示，不均勻系數(shù)為2.57，曲率系數(shù)為4.54，液限為29.9%，塑限為16.8%，塑性指數(shù)為13.1。根據(jù)土的分類標準可知，該煤矸石混合土為低液限黏土。同時，根據(jù)擊實試驗確定其最大干密度為2.040 g/m3，最優(yōu)含水率為10.4%。

格賓網(wǎng)是一種由覆塑鋼絲絞合成六邊形網(wǎng)孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)特點可保證在即使某個鋼絲被拉斷時，整個網(wǎng)片會應力調(diào)整而繼續(xù)保持較高的拉伸強度[20]。

圖1 現(xiàn)場煤矸石堆積山Fig.1 Accumulation mountain formed by coal gangue

圖2 煤矸石混合土的級配曲線Fig.2 Grading curve of coal gangue mixed soil

圖3 格賓網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of gabion

1.2 現(xiàn)場試驗設計

由于填方路堤臨近湄江河，附近有水利工程設施，導致用地空間小，同時，填方路堤下部的煤矸石堆積層較厚，地基承載能力有限。綜合考慮，采用格賓網(wǎng)柔性加筋擋墻設計方案。填方路堤的橫斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個填方路堤高度為15 m，分成2級，上級路堤直接采用煤矸石混合土填筑，坡比為1∶1.5，下級路堤采用格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤形式填筑，坡比為1∶0.3。加筋路堤的墻面為格賓網(wǎng)箱裝填石塊，并按錯位堆疊而成，如圖4所示。鋪設在路堤內(nèi)部的格賓網(wǎng)與格賓網(wǎng)箱進行連接。

為掌握下級格賓網(wǎng)加筋路堤邊坡的工作狀態(tài)，同時為今后煤矸石地區(qū)加筋路堤的修筑提供參考建議，在下部路堤中布設了柔性位移計(型號：JMDL-2405A)、土壓力盒(型號：JMZX-5006A)及水平應變計(型號：JMDL-4520A)。如圖5所示，柔性位移計在第6層格賓網(wǎng)上按等間距布置，在第3層與第4層格賓網(wǎng)之間按等間距布置4個豎向土壓力盒。從路堤底部向上，在第一、二、三層格賓網(wǎng)下方分別布置水平應變計和水平土壓力盒，以獲取格賓網(wǎng)加筋擋墻的側(cè)向位移和側(cè)向土壓力。

圖4 格賓網(wǎng)箱Fig.4 Gabion cage

圖5 路堤結(jié)構(gòu)與元器件布置的橫斷面Fig.5 Cross section of embankment structure and component arrangement

1.3 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

1.3.1 豎向土壓力分布規(guī)律

圖6為路堤豎向土壓力沿橫向的分布規(guī)律?？梢钥闯觯Q向土壓力沿路堤橫向呈現(xiàn)為非均勻分布。其中，靠近墻面處的豎向土壓力較小，這是由于靠近墻面處的格賓網(wǎng)對土體的網(wǎng)兜效應越明顯，這導致格賓網(wǎng)網(wǎng)兜的下方土體所受豎向土壓力降低，同時，格賓網(wǎng)箱墻面為傾斜斜面，越靠近墻面處，對應的上覆厚度越小，這也使得靠近墻面處的豎向土壓力較低。墻面附近豎向土壓力的降低有助于降低格賓網(wǎng)箱上的作用力，進而提升格賓網(wǎng)加筋擋墻的穩(wěn)定性。在距墻面距離為3 m附近，豎向土壓力達到最大值，之后，隨著距墻面距離的繼續(xù)增加，豎向土壓力有所降低，并呈現(xiàn)出波動變化狀態(tài)。

圖6 豎向土壓力的橫向分布規(guī)律Fig.6 Transverse distribution of vertical earth pressure

1.3.2 側(cè)向土壓力分布規(guī)律

將格賓網(wǎng)箱后的側(cè)向土壓力實測值、朗肯主動土壓力及靜止土壓力進行對比，如圖7所示?？梢钥闯觯褓e網(wǎng)箱后側(cè)向土壓力實測值沿墻高呈現(xiàn)非線性分布，其值介于朗肯主動土壓力值和靜止土壓力值之間。這說明格賓網(wǎng)加筋擋墻具有一定程度的柔性變形能力，可以通過墻面?zhèn)认蜃冃巫饔媒档妥饔糜趬γ娴膫?cè)向土壓力，這對格賓網(wǎng)加筋擋墻來說是有利的，同時，也說明傳統(tǒng)的土壓力理論并不適用于格賓網(wǎng)加筋擋墻的土壓力計算。

1.3.3 格賓網(wǎng)筋材應變分布規(guī)律

圖8為格賓網(wǎng)筋材應變沿路堤橫向的分布規(guī)律?？梢钥闯觯褓e網(wǎng)筋材沿路堤橫線呈現(xiàn)為典型的單峰分布特征。根據(jù)加筋擋墻潛在滑裂面判定方法可知，筋材最大拉力/應變?yōu)榻畈呐c潛在滑裂面的交匯處。因此，對于本格賓網(wǎng)加筋擋墻工程而言，其潛在滑裂面位置在距墻背的距離2.4～4.2 m范圍，這與確定加筋擋墻的潛在滑裂面的“0.3H法”計算結(jié)果基本吻合(其中H為路堤高度)。因此，對于以煤矸石混合土為填料修建的格賓網(wǎng)加筋煤矸石擋墻，在對其穩(wěn)定性計算時可采用“0.3H法”來確定其潛在滑裂面。

圖7 側(cè)向土壓力沿墻高的分布規(guī)律Fig.7 Distribution of lateral earth pressure along wall height

圖8 格賓網(wǎng)筋材應變的橫向分布規(guī)律Fig.8 Transverse strain distribution of gabion mesh reinforcement

2 數(shù)值模型建立與驗證

考慮到現(xiàn)場試驗成本高和測試內(nèi)容有限，本文接下來根據(jù)現(xiàn)場煤矸石填方路堤的橫斷面結(jié)構(gòu)建立相應的數(shù)值模型，進一步分析格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤工作性能。圖9為采用FLAC3D軟件建立的格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的三維數(shù)值模型，其中，考慮到邊界條件的影響，模型沿路堤縱向長度取為1 m，坡頂面寬度取為10 m，地基橫向?qū)挾取⒑穸确謩e取為33.4、10.0 m，其余尺寸與現(xiàn)場實際邊坡尺寸一致。約束模型底部的三向位移，模型的4個側(cè)門分別約束與之相應的法向位移。煤矸石混合土采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型模擬?？紤]到填充在格賓網(wǎng)箱內(nèi)的石塊強度大、變形小，故網(wǎng)箱內(nèi)的石塊采用彈性模型模擬。格賓網(wǎng)箱長度、寬度、高度分別為2、1、1 m，在荷載作用下，格賓網(wǎng)箱存在壓縮或拉伸變形，且其變形受填充石塊和路堤填土的影響較大，故仍采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型來模擬。各組成結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)取值如表1所示，格賓網(wǎng)與煤矸石混合土的界面參數(shù)如表2所示。

以路堤內(nèi)部的豎向土壓力的橫向分布特征為例，將數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，豎向土壓力的模擬值與實測值的大小及其分布趨勢基本吻合，這表明數(shù)值模擬具有可靠性和準確性，可用于后續(xù)數(shù)值模擬分析。此外，

圖9 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的三維數(shù)值模型Fig.9 Three-dimensional numerical model of gabion reinforced coal gangue embankment

表1 路堤各結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)Table 1 Parameters of various structural materials of embankment

表2 格賓網(wǎng)-煤矸石混合土的界面參數(shù)Table 2 Interface parameters of gabion-coal gangue mixed soil

圖10 豎向土壓力的模擬值與實測值對比Fig.10 Comparison between simulated and measured vertical earth pressure

靠近墻面附近，豎向土壓力急劇下降，這是受墻面處的退臺式臺階的卸荷作用，以及在格賓網(wǎng)箱與墻后土體的差異豎向變形所引起的網(wǎng)兜效應，這兩者的綜合作用導致墻面處豎向土壓力的降低，且越靠近墻面，豎向土壓力的降低越顯著。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤力學與變形特征

圖11為格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的剪應變云圖?？梢钥闯?，格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的潛在滑裂面由距坡頂邊緣一定距離處開始，經(jīng)過坡體內(nèi)部和坡腳下方，從坡腳前方滑出，這可能導致坡腳前方土體出現(xiàn)隆起變形現(xiàn)象，如圖12所示。整個潛在滑裂面較為靠內(nèi)，為典型的圓弧狀滑裂面特征。根據(jù)強度折減法計算出其安全系數(shù)為1.3，路堤坡腳處為其不利位置。因此，在設計與施工過程中應注重強化坡腳加固處治，這將有助于提高路堤的穩(wěn)定性。由圖12可知，格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的豎向變形沿路堤橫向(從坡腳前至路堤中線的方向)呈現(xiàn)為隆起變形向沉降變形轉(zhuǎn)變的特點，路堤的最大沉降變形發(fā)生在路堤中線處。

圖11 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的剪應變云圖Fig.11 Shear strain cloud diagram of gabion reinforced coal gangue embankment

圖12 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤豎向變形云圖Fig.12 Vertical deformation cloud diagram of gabion reinforced coal gangue embankment

3.2 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的坡腳強化分析

分析可知，格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的潛在滑裂面是由從坡腳下方穿過，并從坡腳前方滑出，且坡腳下方及坡腳前方的土體剪應變明顯大于其他位置處的剪應變。這表明坡腳下方的地基土體以及坡腳前方的土體剪應力明顯大于其他位置的剪應力。因此，受較大的附加荷載作用下，坡腳附近的土體將最先達到塑性狀態(tài)，使得路堤坡體會因為此處最先失穩(wěn)，繼而造成整個路堤邊坡的失穩(wěn)破壞。

為此，需對坡腳附近土體進行強化加固，傳統(tǒng)的強化措施主要有坡腳回填壓實、土體夯實或換填，這些措施需要占用更多用地或者需要優(yōu)質(zhì)填料，且效果并不一定很好。提供一種新的坡腳強化措施，即在坡腳下方提前預埋格賓網(wǎng)箱的方法。為分析該新措施對格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的穩(wěn)定性改善效果，設置了3種格賓網(wǎng)箱埋設深度，分別為1、2、3 m，埋設于坡腳下方的格賓網(wǎng)箱長度、寬度、高度分別為2、1.5、0.5 m。圖13為格賓網(wǎng)箱埋設深度為2 m時的數(shù)值模型。

圖14為格賓網(wǎng)箱埋設深度對路堤安全系數(shù)的影響。可以看出，在坡腳下方埋設格賓網(wǎng)箱之后，路堤安全系數(shù)得到提高，并且隨著格賓網(wǎng)箱埋設深度的增加，路堤安全系數(shù)會進一步提高，具體地，相比于不埋設格賓網(wǎng)箱，格賓網(wǎng)箱埋設深度為1 m和 3 m 時，對應的路堤安全系數(shù)分別提高了5.5%和11.7%。可見，在坡腳下方埋設格賓網(wǎng)箱可發(fā)揮顯著的加固作用，進而提升路堤穩(wěn)定性。

圖13 格賓網(wǎng)箱埋設深度2 m時的數(shù)值模型Fig.13 Numerical model of gabion cage buried depth of 2 m

圖14 格賓網(wǎng)箱埋設深度對路堤安全系數(shù)的影響Fig.14 Influence of embedded depth of gabion cage on the safety factor of embankment

圖15為不同格賓網(wǎng)箱埋設深度時路堤剪應變云圖(以埋設深度2 m為例)?？梢钥闯?，由于格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的抗滑作用，使得路堤內(nèi)的塑性區(qū)向下發(fā)展，塑性貫通區(qū)(潛在滑裂面)由原來的平緩圓弧狀變成曲率較大的彎鉤狀，這相當于延長了潛在滑裂面的長度，增大了潛在滑裂面上的抗滑力。同時，在未埋設格賓網(wǎng)箱時，坡腳前方的塑性區(qū)寬度約為4.1 m，格賓網(wǎng)箱埋設深度為2 m時，坡腳前面的塑性區(qū)寬度增大至6.47 m，這表明設置格賓網(wǎng)箱后，坡腳前方的土體塑性區(qū)擴展，使得路堤的抗滑阻力及其穩(wěn)定性得到明顯提升。

綜上可知，所提出在坡腳下方埋設格賓網(wǎng)箱措施，能夠改善坡腳下方的力學與變形狀態(tài)，可改變路堤內(nèi)潛在滑裂面的形狀，延長潛在滑裂面的長度，同時，能夠增大坡腳前方土體的塑性區(qū)范圍，使得路堤的抗滑力顯著提升，進而提升路堤的穩(wěn)定性。建議在格賓網(wǎng)加筋路堤邊坡中使用該措施。

圖15 格賓網(wǎng)箱埋設深度2 m時路堤剪應變云圖Fig.15 Shear strain cloud diagram of embankment when gabion cage is buried at a depth of 2 m

4 結(jié)論

以格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤實際工程為例，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬，分析了格賓網(wǎng)加筋路堤的力學與變形特征。在此基礎(chǔ)上，進一步研究了坡腳加固措施對路堤穩(wěn)定性的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1) 在格賓網(wǎng)箱退臺式臺階堆疊結(jié)構(gòu)的卸荷作用和墻面附近的格賓網(wǎng)網(wǎng)兜效應綜合作用下，靠近墻面處的豎向土壓力較低。同時，格賓網(wǎng)的柔性變形特點使得格賓網(wǎng)加筋擋墻墻后的側(cè)向土壓力小于朗肯靜止土壓力。

(2) 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的潛在滑裂面與穩(wěn)定性仍可采用傳統(tǒng)的“0.3H法”進行分析。格賓網(wǎng)加筋路堤的坡腳附近為不利位置，在設計與施工過程中，應注重坡腳下方的強化加固。

(3) 提出了在坡腳下方埋設格賓網(wǎng)箱的加固措施，當埋設深度達到3 m時，邊坡安全系數(shù)提高了11.7%。該措施可改善坡腳處的力學與變形狀態(tài)，改變潛在滑裂面的形狀與長度，增大路堤的抗滑力，進而有限提升路堤的穩(wěn)定性。